Таинственные глубоко обитающие микробы формируют нашу планету

Прочитано: 142 раз(а)


В центре Северной Америки есть портал в глубокие уголки скалистых недр Земли. Устье портала — бороздчатая яма шириной около полумили — уходит в землю на глубину 1250 футов, обнажая мраморную мозаику молодых и древних пород: серые полосы базальта, молочные прожилки кварца и мерцающие созвездия золота. Под ямой около 370 миль туннелей пронизывают твердую скалу и простираются более чем на 1,5 мили под поверхностью. На протяжении 126 лет на этом месте в Лиде, Южная Дакота, располагался рудник Хоумстейк, самый глубокий и продуктивный золотой рудник на континенте.

В 2006 году корпорация Barrick Gold Corporation передала рудник в дар штату Южная Дакота, который превратил его в крупнейшую подземную лабораторию в Соединенных Штатах — Сэнфордский подземный исследовательский центр. Хотя самые нижние туннели были затоплены после прекращения добычи полезных ископаемых, все еще можно спуститься почти на милю под поверхность планеты. Большинство ученых, которые этим занимаются, являются физиками, проводящими высокочувствительные эксперименты, которые необходимо защищать от мешающих космических лучей. Но некоторые биологи также отправляются в подземный лабиринт, обычно отыскивая его самые темные и грязные уголки — места, где неизвестные существа вытесняют металл и преображают камни.

Холодным декабрьским утром я последовал за тремя молодыми учеными и группой сотрудников Сэнфорда в «клетку» — голый металлический лифт, который должен был доставить нас на 4850 футов в земную кору. Мы носили неоновые жилеты, ботинки со стальными носами и каски. К поясам были привязаны индивидуальные респираторы, которые защитят нас от угарного газа в случае пожара или взрыва. Клетка опустилась быстро и на удивление плавно. Наша праздная болтовня и смех были едва слышны сквозь шум разматывающихся кабелей и свистящий воздух. После контролируемого падения продолжительностью около 10 минут мы достигли дна объекта.

Два наших гида, оба бывшие шахтеры, направили нас в пару небольших связанных железнодорожных вагонов и провезли через ряд узких туннелей. За 20 минут мы сменили относительно прохладное и хорошо проветриваемое пространство возле клетки на все более жаркий и душный коридор. В то время как поверхность мира была снежной и находилась значительно ниже нуля, на миле ниже температура была около 90 градусов и почти 100-процентная влажность. Казалось, жар пульсировал сквозь окружающую нас скалу, а воздух был густым и удушливым; запах серы проник в наши ноздри. Было такое ощущение, будто мы вошли в ад.

Вагоны остановились. Мы вышли и прошли небольшое расстояние до большого пластикового крана, торчащего из камня. Жемчужная струя воды стекала со стены возле основания крана, образуя ручейки и лужи. От воды доносился сероводород — источник запаха камеры. Стоя на коленях, я понял, что вода кишит вязким белым материалом, похожим на кожуру яйца-пашот. Кейтлин Касар, геобиолог, объяснила, что белые волокна представляют собой микробы рода Thiothrix , которые объединяются в длинные нити и накапливают серу в своих клетках, придавая им призрачный оттенок. Мы были здесь, глубоко в земной коре — месте, где без вмешательства человека не было бы света и мало кислорода — но жизнь буквально хлестала из камня. Эта особая экологическая горячая точка получила прозвище « Водопад Тиотрикс».

На другом уровне шахты мы шли по грязи и воде до пояса, ступая осторожно, чтобы не споткнуться о затопленные рельсы и разбросанные камни. Тут и там нежные белые кристаллы, скорее всего, гипса или кальцита, украшали землю и стены, мерцая, как звезды. В конце концов мы достигли еще одного большого крана, увязшего в чем-то похожем на влажную глину, цвет которой варьировался от бледно-лососевого до кирпично-красного. Это тоже, как объяснил Касар, было делом рук микробов — в данном случае рода, известного как Gallionella , который процветает в богатых железом водах и выделяет искривленные металлические шпили. По просьбе Касара я наполнил кувшин водой, разлил богатую микробами грязь по пластиковым пробиркам и хранил их в холодильниках, где они ожидали анализа.

Касар и ее коллеги посещали бывшую шахту Хоумстейк не реже двух раз в год на протяжении многих лет. Каждый раз, когда они возвращаются, они сталкиваются с загадочными микробами, которые никогда не были успешно выращены в лаборатории, и с видами, названия которых еще не получили названия. Их исследования являются частью совместных усилий, в число лидеров которых входит Магдалена Осберн, профессор Северо-Западного университета и видный представитель относительно новой области, известной как геомикробиология.

Такие ученые, как Осберн, показали, что, вопреки давним предположениям, недра Земли не бесплодны. Фактически, большинство микробов планеты, возможно, более 90 процентов, могут жить глубоко под землей. Эти внутриземные микробы, как правило, сильно отличаются от своих собратьев на поверхности. Они древние и медленные, размножаются нечасто и, возможно, живут миллионы лет. Они часто добывают энергию необычными способами, дыша камнем вместо кислорода. И они, кажется, способны пережить геологические катаклизмы, которые уничтожили бы большинство живых существ. Подобно многим крошечным организмам в океане и атмосфере, уникальные микробы в земной коре не просто населяют окружающую среду; они трансформируют их. Подповерхностные микробы прорезают обширные пещеры, концентрируют минералы и драгоценные металлы и регулируют глобальный круговорот углерода и питательных веществ. Микробы, возможно, даже помогли построить континенты, буквально заложив основу для всей остальной земной жизни.

Как и многое другое в древнейшей истории Земли, точно неизвестно, где и когда впервые возникла жизнь. В какой-то момент, вскоре после возникновения нашей планеты, в каком-то теплом, влажном кармане с правильным химическим составом и адекватным потоком свободной энергии — горячем источнике, ударном кратере, гидротермальном жерле на дне океана — кусочки Земли перегруппировались в первые самовоспроизводящиеся сущности, которые в конечном итоге превратились в клетки. Данные палеонтологической летописи и химического анализа древнейших когда-либо обнаруженных горных пород указывают на то, что микробная жизнь существовала по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад, а возможно, и 4,2 миллиарда лет назад.

Среди всех живых существ своеобразные микробы, обитающие сегодня глубоко в земной коре, возможно, больше всего напоминают некоторые из самых ранних одноклеточных организмов, когда-либо существовавших. В совокупности эти подповерхностные микробы составляют примерно от 10 до 20 процентов биомассы — то есть всей живой материи — на Земле. Тем не менее, до середины 20-го века большинство учёных не считали, что подземная жизнь любого вида возможна на глубине ниже нескольких метров.

Самые старые научные сообщения о подземной жизни датируются только 1600-ми годами. В 1684 году, путешествуя по центральной Словении, натуралист Янез Вайкард Вальвасор исследовал слухи о драконе, живущем под источником недалеко от Любляны. Местные жители верили, что дракон выталкивал воду на поверхность каждый раз, когда перемещал свое тело. После проливных дождей они иногда находили неподалеку на камнях детенышей драконов: стройных и извилистых, с притупленными мордами, оборчатым горлом и почти прозрачной розовой кожей. Лишь в следующем столетии натуралисты официально определили этих существ как водных саламандр, которые жили исключительно под землей, в воде, текущей через известняковые пещеры. Теперь они известны как олмы.

В начале 20-го века ученые начали получать представление об истинном изобилии жизни глубоко под землей. Примерно в 1910 году, пытаясь определить источник метана в шахтах, немецкие микробиологи выделили бактерии из образцов угля, собранных на глубине 3600 футов под поверхностью. В 1911 году русский учёный В. Л. Омельянский обнаружил жизнеспособные бактерии, сохранившиеся в вечной мерзлоте рядом с раскопанным мамонтом. Вскоре после этого Чарльз Б. Липман, почвенный микробиолог из Калифорнийского университета в Беркли, сообщил, что он оживил древние бактериальные споры, заключенные в кусках угля, добытого на шахте в Пенсильвании.

Хотя эти ранние исследования были заманчивыми, многие ученые оставались скептически настроенными из-за возможности загрязнения образцов поверхностными микробами. Однако в последующие десятилетия исследователи продолжали находить микробы в камнях и воде, добытых из шахт и буровых площадок по всему миру. К 1980-м годам отношение начало меняться. Исследования водоносных горизонтов ясно показали, что бактерии населяют грунтовые воды даже на глубине тысяч футов под поверхностью. И ученые разработали более строгие методы предотвращения случайного попадания поверхностных микробов, такие как дезинфекция буровых долот и отслеживание движения жидкостей через кору, чтобы убедиться, что поверхностная вода не смешивается с их образцами.

В конечном итоге результаты этого исследования подтвердили, что ранние сторонники подземной биосферы были слишком консервативны. Куда бы ученые ни смотрели — в континентальной коре, под морским дном, под антарктическим льдом — они находили уникальные сообщества микробов, содержащие тысячи неопознанных видов. В некоторых участках земной коры оказалось всего один микроб на кубический сантиметр, что эквивалентно стране, где на каждые 400 миль приходится только один человек. Подземный мир был реальным, но его обитатели были гораздо меньше и страннее, чем можно было себе представить.

В 1990-х годах Томас Голд, астрофизик из Корнелльского университета, опубликовал серию провокационных заявлений о внутренней микробной дикой природе Земли. Голд предположил, что микроорганизмы пронизали всю недра, живя в заполненных жидкостью порах между зернами горных пород. Хотя ученые еще не обнаружили микробов на глубине более 1,86 мили под землей, Голд подозревал, что они обитают на глубине шести миль и что биомасса в земной коре по крайней мере равна, если не превышает, биомассе на поверхности. Он также предположил, что по крайней мере некоторые ветви жизни могли зародиться внутри планеты; что другие планеты и луны также могут содержать подземные экосистемы; и что глубоко обитающие микробы, вероятно, будут наиболее распространенной формой жизни во всем космосе.

К началу 2000-х годов ученые начали разрабатывать новые способы еще глубже погрузиться в земную кору. Шахты были особенно многообещающими, поскольку они обеспечивали доступ к отдаленным недрам, не требуя значительного дополнительного бурения или инфраструктуры. Таллис Онстотт, профессор геолого-геофизических наук Принстонского университета, и его коллеги отправились на сверхглубокие золотые прииски в Южной Африке и извлекли образцы подземных вод на глубине почти двух миль под землей. В некоторых из самых глубоких образцов они обнаружили единственный вид: бактерию багетной формы с хвостом, похожим на кнут, которая выдерживала температуру до 140 градусов и получала энергию от химических побочных продуктов радиоактивного распада урана, заключенных в ее темном доме.

Онстотт и его коллеги решили назвать микроб Desulforudis audaxviator в честь отрывка из «Путешествия к центру Земли» Жюля Верна, который гласит: «Descende, Audax viator, et terrestre centrum attinges» — «спустись, смелый путешественник, и ты достигнет центра Земли». Вода, в которой был обнаружен D. audaxviator, не подвергалась воздействию в течение как минимум десятков миллионов лет, что позволяет предположить, что популяция этих отважных микробных тернавтов могла существовать как минимум столько же лет. «Обычно мы не думаем, что рок таит в себе жизнь», — пишет Онстотт в своей книге «Глубокая жизнь ». «Как и большинство геологов, я тоже рассматривал камни как неодушевленные объекты». Но теперь, продолжает он, как геомикробиолог, он рассматривает все камни как маленькие миры, состоящие из микроорганизмов, «некоторые из которых, возможно, жили в породе с момента ее образования сотни миллионов лет назад».

Некоторые сообщества подповерхностных микробов могут быть еще старше. Шахта Кидд-Крик в Онтарио, Канада, является одной из крупнейших и самых глубоких шахт в мире. Простираясь примерно на 1,86 мили под землей, он содержит богатые жилы меди, серебра и цинка, образовавшиеся почти три миллиарда лет назад на дне океана. В 2013 году геолог из Университета Торонто Барбара Шервуд Лоллар опубликовала исследование, демонстрирующее, что некоторые участки воды в шахте Кидд-Крик были изолированы от поверхности более миллиарда лет, что делает ее самой старой водой, когда-либо обнаруженной на Земле. Прозрачная при первом сборе, богатая железом вода становится бледно-оранжевой под воздействием кислорода; она имеет консистенцию кленового сока, содержит как минимум в два раза больше соли, чем современная морская вода, и, по мнению Шервуда Лоллара, «ужасна на вкус». В 2019 году Шервуд Лоллар, Магдалена Осберн и несколько коллег подтвердили, что, как и гораздо более молодые жидкости, циркулирующие через поры и трещины в горной породе на глубине нескольких тысяч футов под поверхностью, водные ресурсы возрастом в миллиарды миль на глубине в шахте Кидд-Крик также заселены. микроорганизмами. Хотя возраст некоторых из этих микробных сообществ, вероятно, составляет не более нескольких сотен миллионов лет, вполне возможно, что другие непрерывно населяли глубокую кору на протяжении целой вечности или даже больше.

«Это исследование действительно является формой исследования», — говорит Шервуд Лоллар. «Некоторые открытия заставляют нас переписывать учебники о том, как устроена эта планета. Они меняют наше представление об обитаемости Земли. Мы не знаем, где зародилась жизнь. Мы не знаем, возникла ли жизнь на поверхности и опустилась вниз, или жизнь возникла внизу и поднялась вверх. Есть тенденция думать о маленьком теплом пруду Дарвина, но, как любит говорить мой коллега Т.С. Онстотт, с тем же успехом это мог быть какой-нибудь теплый небольшой перелом».

Много лет назад я узнал удивительный факт, который начал менять мое представление об отношении жизни к гигантской, бурной, полурасплавленной скале, которую мы называем домом. Я узнал следующее: жизнь на нашей планете не просто испытывает погоду — она ее создает. Рассмотрим тропический лес Амазонки. Ежегодно на Амазонке выпадает около восьми футов дождя. В некоторых частях леса годовое количество осадков приближается к 14 футам, что более чем в пять раз превышает среднегодовое количество осадков в прилегающих Соединенных Штатах. Этот потоп отчасти является следствием географической случайности: интенсивный экваториальный солнечный свет ускоряет испарение воды с моря и суши в небо, пассаты приносят влагу из океана, а граничащие с ней горы заставляют приходящий воздух подниматься, охлаждаться и конденсироваться. Тропические леса возникают там, где идет дождь.

Но это только половина истории. В лесной подстилке обширные симбиотические сети корней растений и нитчатых грибов переносят воду из почвы в стволы, стебли и листья. Когда почти 400 миллиардов деревьев Амазонки пьют досыта, они выделяют избыточную влагу, насыщая воздух 20 миллиардами тонн водяного пара каждый день. В то же время растения всех видов выделяют соли и выделяют букеты резких газообразных соединений. Грибы, изящные, как бумажные зонтики, или приземистые, как дверные ручки, выделяют шлейфы спор. Ветер уносит в атмосферу бактерии, пыльцевые зерна, кусочки листьев и коры. Влажное дыхание леса, наполненное микроскопической жизнью и органическими остатками, создает условия, которые очень способствуют дождю. При таком большом количестве водяного пара в воздухе и таком большом количестве мельчайших частиц, на которых может конденсироваться вода, быстро образуются облака. В обычный год Амазонка генерирует около половины собственных осадков.

Ритуал дождя Амазонки бросает вызов нашему обычному представлению о жизни на Земле. Традиционная мудрость гласит, что жизнь зависит от окружающей среды. Если бы Земля не вращалась вокруг звезды нужного размера и возраста, если бы она находилась слишком близко или слишком далеко от этой звезды, если бы у нее не было стабильной атмосферы, жидкой воды и магнитного поля, отражающего вредные космические лучи, это было бы безжизненный. Жизнь на Земле возникла потому, что Земля пригодна для жизни. Со времен Дарвина преобладающие научные парадигмы также подчеркивали, что постоянно меняющиеся требования окружающей среды во многом определяют, как развивается жизнь: виды, лучше всего способные справиться с изменениями в своей конкретной среде обитания, оставляют после себя большинство потомков, тогда как те, которые не могут адаптироваться, вымирают.

Однако у этой истины есть недооцененный близнец: жизнь меняет и окружающую среду. В середине 20 века, когда экология утвердилась как формальная дисциплина, этот факт стал получать более широкое признание в западной науке. Несмотря на это, основное внимание уделялось относительно небольшим и локальным изменениям: например, бобр, строящий плотину, или дождевые черви, взбивающие участок почвы. Идея о том, что живые существа всех видов могут изменять окружающую среду гораздо более значительным образом — что микробы, грибы, растения и животные могут изменить топографию и климат континента или даже всей планеты — редко уделялась серьезному рассмотрению.

Однако в последние десятилетия научное понимание связи жизни с планетой претерпевает серьезную реформацию. Вопреки давним принципам, жизнь на протяжении всей истории Земли была огромной геологической силой, часто сравнимой или превосходящей мощь ледников, землетрясений и вулканов. За последние несколько миллиардов лет всевозможные формы жизни, от микробов до мамонтов, преобразовали континенты, океаны и атмосферу, превратив глыбу вращающейся по орбите породы в мир, каким мы его знали. Живые существа — это не просто продукты неумолимых эволюционных процессов в их конкретной среде обитания; они являются организаторами своего окружения и участниками собственной эволюции. Мы и другие живые существа – больше, чем жители Земли. Мы — Земля: результат ее физической структуры и двигатель ее глобальных циклов. Доказательства этой новой парадигмы окружают нас повсюду, хотя большая их часть была обнаружена совсем недавно и еще не проникла в общественное сознание в той же степени, как, скажем, эгоистичные гены или микробиом.

История жизни на Земле — это история преобразования жизни на Земле. Почти два с половиной миллиарда лет назад фотосинтезирующие океанские микробы, называемые цианобактериями, навсегда изменили планету, наполнив атмосферу кислородом, придав небу привычный синий оттенок и положив начало образованию озонового слоя, который защищал новые волны жизни от вредных воздействий. воздействие ультрафиолетового излучения. Сегодня растения и другие фотосинтезирующие организмы, по-видимому, помогают поддерживать уровень кислорода в атмосфере, достаточно высокий для поддержания сложной жизни, но не настолько высокий, чтобы Земля вспыхнула пламенем при малейшей искре. Морской планктон управляет химическими циклами, от которых зависит вся остальная жизнь, и выделяет газы, которые увеличивают облачность, изменяя глобальный климат. Леса водорослей, коралловые рифы и моллюски хранят огромное количество углерода, буферизируют кислотность океана, улучшают качество воды и защищают береговую линию от суровых погодных условий. Такие разнообразные животные, как слоны, луговые собачки и термиты, постоянно восстанавливают кору планеты, облегчая поток воды, воздуха и питательных веществ и улучшая перспективы миллионов видов. А микроорганизмы, подобные тем, которые я наблюдал глубоко в земной коре, теперь считаются важными участниками многих геологических процессов.

Изучая взаимозависимость Земли и жизни, я постоянно возвращался к древней и противоречивой идее: Земля сама по себе жива. Лишь в конце 20 века идея живой планеты нашла одно из самых популярных и устойчивых выражений в западной науке — гипотезу Геи. Гипотеза Геи, задуманная британским ученым и изобретателем Джеймсом Лавлоком в 1960-х годах и позже развитая совместно с американским биологом Линн Маргулис, предполагает, что все живые и неживые элементы Земли являются «частями и партнерами огромного существа, которое в своей целостности обладает силы сохранить нашу планету как подходящую и комфортную среду обитания для жизни».

Лавлок опубликовал свою первую книгу о Гее в 1979 году на фоне растущего движения за защиту окружающей среды. Хотя его идеи нашли восторженную аудиторию среди общественности, многие ученые их критиковали и высмеивали. Те, кто возмущался этой идеей, обычно возражали одинаково: Земля не может быть живой, потому что она не ест, не растет, не размножается и не развивается посредством естественного отбора, как «настоящие» живые существа.

Однако никогда не существовало объективной меры или общепринятого определения жизни. Существует множество примеров того, что мы считаем неодушевленными, но имеющими черты живого, и наоборот. Жизнь более призрачна, чем категорична, больше глагола, чем существительного. Жизнь — это не отдельный класс материи, а скорее процесс — представление. Жизнь – это то, что делает материя .

Хотя наука еще не пришла к фундаментальному объяснению явления, которое мы называем жизнью, многие эксперты прошлого столетия предпочитали следующую вариацию: Жизнь — это система, которая поддерживает сама себя. Эта определяющая способность к активному самосохранению и саморегуляции проявляется на самых разных уровнях: на уровне клетки, организма, экосистемы и, я бы сказал, планеты.

Гея до сих пор остается чем-то вроде стигмы в основной науке, но в последние десятилетия оппозиция значительно ослабла . Хотя утверждение о том, что Земля сама по себе является живым существом, остается спорным, некоторые ученые поддерживают его , а другие все более открыты для него. Идея о том, что жизнь трансформирует планету и переплетается с процессами ее саморегуляции, стала центральным принципом основной науки о системе Земли, относительно молодой области, которая подробно изучает живые и неживые компоненты планеты как единое целое. Как написал ученый, изучающий систему Земли Тим Лентон, он и его коллеги «теперь мыслят в терминах совместной эволюции жизни и планеты, признавая, что эволюция жизни сформировала планету, изменения в планетарной среде сформировали жизнь, и вместе их можно рассматривать как один процесс».

Как и многие живые существа, Земля поглощает, хранит и преобразует энергию. Земля имеет тело с организованными структурами, мембранами и ежедневными ритмами. Из необработанных элементов нашей планеты возникли миллионы биологических существ, которые непрерывно пожирают, преображают и пополняют ее породы, воду и воздух. Такие организмы не просто обитают на Земле; они являются буквальными продолжениями Земли. Более того, организмы и их среда неразрывно связаны во взаимной эволюции, часто сходящейся в самостабилизирующихся процессах, которые благоприятствуют взаимному сохранению. В совокупности эти процессы наделяют Землю своего рода планетарной физиологией: дыханием , обменом веществ, регулируемой температурой и сбалансированным химическим составом. Земля — это не отдельный организм и не продукт стандартной дарвиновской эволюции, но, тем не менее, это настоящее живое существо, обширная взаимосвязанная живая система.

Одной из ранних метафор, которые Лавлок использовал для объяснения Геи, было красное дерево. Лишь некоторые части дерева содержат живые клетки, а именно листья и тонкие слои тканей внутри ствола, ветвей и корней. Остальное — мертвый лес. Точно так же большая часть нашей планеты представляет собой неодушевленный камень, окутанный цветущей кожей жизни. Подобно тому, как полоски живой ткани необходимы для поддержания жизни целого дерева, живая кожа Земли помогает поддерживать своего рода глобальное существо. Однако в то время Лавлок не осознавал, что даже кажущийся инертным каменный скелет Земли был гораздо более пористым и живым, чем считало большинство людей.

На протяжении сотен лет пещера Лечугилья представляла собой не более чем длинную дыру, ведущую к тупиковым проходам в горах Гуадалупе в Нью-Мексико. Старатели приехали сюда, чтобы собрать гуано летучих мышей, которое ценилось как удобрение. В противном случае никто не обратил на это особого внимания. Однако однажды в 1950-х годах спелеологи заметили ветер, проносящийся сквозь щебень на дне пещеры, что наводило на мысль о скрытом участке. Серия раскопок, начавшаяся в 1980-х годах, обнаружила несколько длинных проходов. Последующие исследования в конечном итоге выявили около 150 миль подземной местности. Туннели и камеры были украшены странными и красивыми образованиями: массивными люстрами из морозного гипса, лимонно-желтыми стручками серы, жемчужными шарами гидромагнезита, прозрачными селенитовыми копьями и кальцитовыми кувшинками, парящими над бирюзовыми лужами.

В начале 1990-х годов астробиолог и геомикробиолог Пенелопа Бостон посмотрела специальный выпуск телеканала National Geographic о Лечугилье. Ее завораживала перспектива нетронутой подземной страны чудес. Один из исследователей, представленных в шоу, Ким Каннингем, обнаружил некоторые предварительные доказательства существования микробной жизни в пещере. Бостон, которого особенно интересовала возможность существования жизни за пределами Земли, рассматривал Лечугилью как аналог потенциальных подземных сред обитания на других планетах. Она позвонила Каннингему и договорилась о посещении пещеры с командой ученых и спелеологов.

Бостон и другие ученые, не имевшие большого опыта в спелеологии, несколько часов практиковались на скалах в Боулдере, штат Колорадо. Кратковременного обучения было далеко не достаточно. Лечугилья — это не просто ряд соединенных между собой комнат, через которые может пройти человек; это клубок кристаллических лабиринтов, окруженных извилистым каменным лабиринтом. Чтобы пройти по нему, Бостон и ее коллегам пришлось спускаться по крутым скалам, карабкаться по скользким гипсовым башням, преодолевать узкие уступы и пробираться сквозь каменные соты, буксируя при этом свое громоздкое снаряжение. «Мы находились в такой чужой среде, что нам просто приходилось справляться», — вспоминает Бостон. «Я продолжал думать про себя: мне просто нужно прожить достаточно долго, чтобы выбраться отсюда».

Они выжили, но не без травм. В какой-то момент Бостон вывихнула лодыжку и повредила голень. Ее наиболее показательная болезнь проявилась незадолго до выхода из пещеры. Когда она приготовилась соскоблить какой-то странный пух ржавого цвета с потолка в сумку, капелька упала ей в глаз, который вскоре опух и закрылся, как будто был заражен. Возможно, подумала она, коричневый пух создан микробами; возможно, это были микробы. Лабораторные исследования в конечном итоге подтвердили ее догадку: пещера была покрыта микроорганизмами, которые пережевывали камни, химически превращая железо и марганец в энергию и оставляя после себя мягкий минеральный остаток. Микробы превращали камень в почву на глубине более тысячи футов под землей.

В конце концов, в результате многих лет исследований Бостон и другие ученые обнаружили, что микробы в Лечугилье делают гораздо больше, чем просто выплевывают немного грязи. Лечугилла утопает в толстых слоях известняка, окаменевших остатках рифа возрастом 250 миллионов лет. Многообразные камеры в таких пещерах обычно образуются дождевой водой, которая просачивается в землю и постепенно растворяет известняк. Однако в Лечугилье микробы также являются скульпторами: бактерии, поедающие захороненные запасы нефти, выделяют сероводород, который вступает в реакцию с кислородом грунтовых вод, образуя серную кислоту, которая разрушает известняк. Параллельно разные микробы потребляют сероводород и в качестве побочного продукта выделяют серную кислоту. Подобные процессы происходят в 5–10 процентах известняковых пещер по всему миру.

С момента первого спуска Бостона в Лечугилью ученые всего мира обнаружили, что микроорганизмы преобразуют кору планеты, где бы они ее ни населяли. Алексис Темплтон, геомикробиолог из Университета Колорадо в Боулдере, регулярно посещает бесплодную горную долину в Омане, где тектоническая активность подтолкнула участки земной мантии — слоя, находящегося под земной корой, — гораздо ближе к поверхности. Она и ее коллеги бурят скважины длиной до четверти мили в поднятой мантии и извлекают длинные цилиндры из породы возрастом 80 миллионов лет, некоторые из которых красиво отделаны мрамором ярких оттенков бордового и зеленого. В лабораторных исследованиях Темплтон продемонстрировал, что эти образцы полны бактерий, некоторые из которых изменяют состав земной коры: они питаются водородом и дышат сульфатами в породе, выделяют сероводород и создают новые месторождения сульфидных минералов, похожих на пирит, а также известное как золото дураков.

Посредством связанных процессов микробы помогли сформировать на Земле некоторые запасы золота, серебра, железа, меди, свинца и цинка, а также других металлов. Поскольку подповерхностные микробы разрушают горную породу, они часто освобождают застрявшие в ней металлы. Некоторые химические вещества, выделяемые микробами, например сероводород, соединяются со свободно плавающими металлами, образуя новые твердые соединения. Другие молекулы, вырабатываемые микробами, захватывают растворимые металлы и связывают их вместе. Некоторые микробы накапливают металл внутри своих клеток или выращивают корку из микроскопических металлических чешуек, которые постоянно притягивают еще больше металла, потенциально образуя значительные отложения в течение длительных периодов времени.

Жизнь, в частности микробная жизнь, создала большое количество земных минералов, которые представляют собой встречающиеся в природе неорганические твердые соединения с высокоорганизованной атомной структурой или, проще говоря, очень изящные горные породы. Сегодня на Земле существует более 6000 различных видов минералов, большинство из которых представляют собой кристаллы, такие как алмаз, кварц и графит. Однако в зачаточном состоянии Земля не имела большого минерального разнообразия. Со временем непрерывное разрушение, плавление и повторное затвердевание ранней коры планеты сместило и сконцентрировало необычные элементы. Жизнь начала расщеплять горные породы и перерабатывать элементы, порождая совершенно новые химические процессы минерализации. Более половины всех минералов на планете могут встречаться только в высококислородной среде, которой не существовало до того, как микробы, водоросли и растения насытили кислородом океан и атмосферу.

Благодаря сочетанию тектонической активности и непрерывной суеты жизни Земля разработала минеральный набор, не имеющий аналогов ни на одном другом известном планетарном теле. Для сравнения: Луна, Меркурий и Марс минерально обеднены, и среди них, возможно, насчитывается максимум несколько сотен минеральных видов. Разнообразие минералов на Земле зависит не только от существования жизни, но и от ее особенностей. Роберт Хейзен, минералог и астробиолог из Carnegie Science, и статистик Грета Хистад подсчитали, что вероятность того, что на двух планетах будет одинаковый набор минеральных видов, составляет один к 10³²². Учитывая, что в космосе насчитывается всего около 10²⁵ планет земного типа, почти наверняка не существует другой планеты с таким же набором минералов, как на Земле. «Осознание того, что минеральная эволюция Земли так напрямую зависит от биологической эволюции, несколько шокирует», — пишет Хейзен в своей книге «Симфония до мажор». «Это представляет собой фундаментальный сдвиг по сравнению с точкой зрения, существовавшей несколько десятилетий назад, когда мой доктор философии по минералогии. Консультант сказал мне: «Не ходи на курсы биологии». Ты никогда им не воспользуешься! »

Сами континенты также могут быть частичным результатом микробного терраформирования. Никто точно не знает, как возникли континенты, но широко поддерживаемая теория предполагает, что континентальная кора представляет собой дистилляцию океанической коры. Континенты состоят из гранита, которого, насколько нам известно, много только на Земле; его редко находили в значительных количествах где-либо еще в известной Вселенной. Напротив, океаническая кора состоит из базальта, распространенной в космосе породы. Базальт темный, плотный и богат магнием и железом, особенно тяжелым металлом. Более трех миллиардов лет назад, когда самая ранняя океанская кора Земли состарилась и остыла, она в конечном итоге стала тяжелее мантии, в которой она плавала, и начала тонуть – этот процесс называется субдукцией. Во время спуска в мантию океанская кора и ее осадочный слой высвободили захваченную внутри них воду, что понизило температуру плавления окружающей мантии. Определенные компоненты мантии начали плавиться, образуя плавучую магму, которая в конечном итоге извергалась из вулканов и остывала, превращаясь в новую породу.

Этот процесс продолжается и сегодня. Однако в самых ранних главах Земли мантия была значительно горячее, чем сейчас; мантия не только выжимала воду из тонущей океанской коры, но и плавила саму кору. Когда эта гибридная магма поднялась на поверхность, она остыла, превратившись в новый вид породы — гранитоид, который был в значительной степени обеднен магнием и железом и поэтому был гораздо менее плотным, чем базальт. Со временем гранитоидная порода была погружена и превращена в настоящий гранит. Поскольку гранит был менее плотным, чем базальт, он накапливался на поверхности океанской коры, образуя толстые участки ранней континентальной коры, которые постепенно прорывали поверхность воды. Позже, с возникновением тектоники плит, протоконтиненты объединились в микроконтиненты и в конечном итоге образовали огромные территории суши высоко над уровнем моря. Примерно 2,5 миллиарда лет назад почти треть поверхности планеты занимала суша.

Несколько учёных Земли, в том числе Роберт Хейзен и его коллеги, исследовали возможность того, что жизнь помогла создать континенты, способствуя субдукции океанической коры и отложений и их превращению в гранит. Чем больше воды содержится в коре и отложениях, тем легче происходит этот процесс. Когда Земля была молодой, микробы, населявшие океанскую кору, вероятно, растворяли базальт с помощью кислот и ферментов, чтобы получить энергию и питательные вещества, производя влажные глинистые минералы. Смазывая кору этими влажными побочными продуктами, микробы, возможно, ускорили растворение мантии и коры и их возможное превращение в новую землю.

Геофизики Деннис Хёнинг и Тилман Спон опубликовали аналогичные идеи. Они отмечают, что вода, захваченная в погружающихся отложениях, выходит первой, тогда как вода в земной коре обычно выбрасывается на большие глубины. Чем толще осадочный слой, покрывающий земную кору, тем больше воды попадает в глубокую мантию, что в конечном итоге увеличивает добычу гранита. В самые ранние эпохи существования Земли микроорганизмы, а позже грибы и растения растворяли и разлагали горные породы со скоростью, намного большей, чем те геологические процессы, которые могли бы произойти сами по себе. Поступая таким образом, они увеличили бы количество отложений, отложившихся в глубоких океанских впадинах, тем самым скрывая погружающиеся плиты океанской коры более толстыми защитными слоями, смывая больше воды в мантию и, в конечном итоге, способствуя созданию новой суши. Некоторые компьютерные модели предполагают, что, если бы жизнь никогда не развивалась, расширение континентов сильно замедлилось бы, и планета могла бы остаться водным миром, усеянным островами: Земля без большого количества земли.

Признать, что глубинная подземная жизнь не только существует, но и участвует в непрерывной алхимии Земли – что она, возможно, помогла создать ту самую землю, от которой зависит вся земная жизнь – значит пересмотреть современное понимание влияния жизни на планету. Тем не менее, даже сегодня некоторые ученые, особенно в геологии и смежных областях, продолжают описывать жизнь как относительно несущественный слой слизи, покрывающий гораздо большую массу неодушевленной породы.

Такие характеристики опровергают истинную силу жизни. Жизнь значительно расширяет площадь поверхности планеты, способной поглощать энергию, осуществлять газообмен и осуществлять сложные химические реакции. Ученый-исследователь земной системы Тайлер Волк подсчитал, что все корни растений на Земле, покрытые тонким слоем крошечных поглощающих волосков, занимают площадь, в 35 раз превышающую всю поверхность нашей планеты. Микробы в совокупности эквивалентны 200 площадям Земли. А если бы слой плодородной почвы толщиной в три фута был разбросан по континентам, все мельчайшие частицы внутри него имели бы общую площадь поверхности более чем в 100 000 раз больше, чем площадь голой планеты.

Просто невозможно сравнить Землю без жизни и Землю, какой мы ее знаем. Повсеместное распространение жизни наделяет нашу планету анатомией и физиологией. Вместе Земля и жизнь образуют единую саморегулирующуюся систему, которая существует и развивается более четырех миллиардов лет. У нас есть столько же оснований считать нашу планету живым существом, как и самих себя: истина, подтвержденная больше не только интуицией или видением одного человека, но и преобладанием научных данных.

Когда мы научимся рассматривать наш вид как часть гораздо более крупной формы жизни – как членов планетарного ансамбля – наша ответственность перед Землей станет яснее, чем когда-либо. Ископаемое топливо, промышленное сельское хозяйство и повсеместное загрязнение окружающей среды не просто повысили глобальную температуру или «нанесли вред окружающей среде»; они серьезно вывели из равновесия самое большое из известных живых существ, ввергнув его в кризис. Скорость и масштабы этого кризиса настолько велики, что без необходимого вмешательства Земле потребуется от тысяч до миллионов лет, чтобы полностью восстановиться самостоятельно. В ходе этого процесса он станет миром, непохожим на все, что мы когда-либо видели, потенциально неспособным поддерживать современную человеческую цивилизацию и экосистемы, от которых мы в настоящее время зависим.

На протяжении более двух столетий западная наука рассматривала возникновение жизни как нечто, произошедшее на Земле или внутри нее, как если бы планета была просто местом возникновения уникального явления, яслями, в которых произошло чудо. Но эти две вещи нельзя разделить таким образом. Жизнь не просто существует на планете; это продолжение планеты. Жизнь возникла, создана и возвращается на Землю. Земля — это не просто планета земной группы с небольшим количеством жизни на ее поверхности; это планета, которая ожила. Земля — это скала, которая кипела, хлестала и цвела: цветущая мозоль полузакрытого Везувия, взвешенная в пузыре дыхания. Земля — это камень, который поглощает звездный свет и излучает песню, кружась в непостижимой пустоте космоса — пульсируя, дыша, развиваясь — и так же уязвима для смерти, как и мы.

Есть ли у растений микробиом?



Новости партнеров